CN106624390A - 激光打孔装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种激光打孔装置。激光打孔装置包括工件支撑装置、激光发生器以及聚焦装置，工件支撑装置用于支撑待打孔工件；激光发生器用于产生激光束，激光束的频率为1kHZ，激光束的占空比为2％‑8％；聚焦装置设置于工件支撑装置和激光发生器之间的打孔光路上，用于对激光束进行聚焦，激光束经过打孔光路后照射到工件上。通过调节激光发生器可以获得频率为1KHZ，占空比为2％‑8％的激光束，一方面，该激光束具有的能量能够穿透工件，另一方面，由于该激光束的能量相对较低，因此可以使落到工件上的光斑具有较小的尺寸，从而使利用该激光束切割出的通孔比较光滑，避免出现微裂纹，提高了激光打孔的工件的质量。

Description

激光打孔装置

技术领域

本发明总体来说涉及一种激光打孔技术，具体而言，涉及一种的激光打孔装置。

背景技术

激光钻孔是激光最常见的一种材料加工方式，常用的激光钻孔有冲击钻孔和旋转切孔两种方式。

冲击钻孔是一个或者多个激光脉冲作用在同一个位置，通过重复冲击进行钻孔。冲击钻孔的方式会造成激光能量分布不均匀，光斑中间能量更强，边缘能量降低，从而孔的边缘质量较差，造成圆度不圆，锥度较大；而且由于前一次钻孔形成的等离子体喷射物，对下一个激光脉冲的能量传递有屏蔽和阻碍的作用。除此，这种冲击钻孔的方式使孔径的大小以及锥度问题难以控制。由于脉冲激光的不稳定性，容易灼烧过度，在孔的周围形成微裂纹，影响封垫的使用。

现有的激光钻孔通常只能够得到直径为200μm的孔，已经不能满足现有的市场需求。

在所述背景技术部分公开的上述信息仅用于加强对本发明的背景的理解，因此它可以包括不构成对本领域普通技术人员已知的现有技术的信息。

发明内容

本发明内容部分并不意味着要试图限定出所要求保护的技术方案的关键特征和必要技术特征，更不意味着试图确定所要求保护的技术方案的保护范围。

本发明的一个主要目的在于克服上述现有技术的至少一种缺陷，提供一种激光打孔装置，以获得具有较小尺寸的通孔。

为实现上述发明目的，本发明采用如下技术方案：

根据本发明的一个方面，提供了一种激光打孔装置，所述激光打孔装置包括工件支撑装置、激光发生器以及聚焦装置，所述工件支撑装置用于支撑待打孔工件；所述激光发生器用于产生激光束，所述激光束的频率为1kHZ，所述激光束的占空比为2％-8％；所述聚焦装置设置于所述工件支撑装置和所述激光发生器之间的打孔光路上，用于对所述激光束进行聚焦，所述激光束经过所述打孔光路后照射到所述工件上。

根据本发明的一实施方式，其中所述聚焦装置还包括扩束器和物镜，所述扩束器设置于所述工件支撑装置和所述激光发生器之间；所述物镜设置于所述扩束器和所述工件支撑装置之间，所述物镜的焦距为10mm，所述物镜的工作距离为20mm；由所述激光发生器发出的所述激光束能够依次经过所述扩束器和所述物镜照射到所述工件上。

根据本发明的一实施方式，其中所述激光打孔装置还包括校准光路，所述校准光路包括校准光源和设置于所述校准光路上的相互平行的两个二色镜，以使得由所述校准光源发出的校准光束依次经过所述二色镜后照射到所述工件的预切割位置。

根据本发明的一实施方式，其中所述激光打孔装置还包括照明光路，所述照明光路包括照明光源和设置于所述照明光路上的相互平行的两个二色镜，以使得由所述照明光源发出的照明光束依次经过所述二色镜后照射到所述工件上。

根据本发明的一实施方式，其中所述工件支撑装置包括可调节支撑台、旋转装置以及工件支撑台，所述可调节支撑台具有第一工作面；所述旋转装置固定设置于所述第一工作面上，所述可调节支撑台用于调节所述旋转装置的位置；所述工件支撑台可移动地设置于所述旋转装置上，以用于调节所述工件的切割位置。

根据本发明的一实施方式，其中所述激光打孔装置还包括第一导轨，所述第一导轨固定设置于所述旋转装置上，所述工件支撑台能够沿所述第一导轨在所述旋转装置上移动；或者所述激光打孔装置还包括第一二维平移台，所述第一二维平移台固定连接于所述旋转装置和所述工件支撑台之间，以使得所述工件支撑台能够在所述旋转装置上移动。

根据本发明的一实施方式，其中所述可调节支撑台包括升降装置和连接件，所述升降装置具有第一表面；所述连接件可移动地设置于所述第一表面上，所述连接件包括相互成角度的所述第一工作面和第二工作面，所述第二工作面可滑动地设置于所述第一表面，所述第一工作面用于与所述旋转装置连接。

根据本发明的一实施方式，其中所述可调节支撑台还包括第二导轨，所述第二导轨固定设置于所述第一表面上，所述连接件能够沿所述第二导轨在所述升降装置上移动。

根据本发明的一实施方式，其中所述可调节支撑台还包括第二二维平移台，所述第二二维平移台固定设置于所述第一表面上，所述连接件固定设置于所述第二二维平移台上以随所述第二二维平移台在所述第一表面上移动。

根据本发明的一实施方式，其中所述第一工作面和所述第二工作面相互垂直。

由上述技术方案可知，本发明的激光打孔装置的优点和积极效果在于：通过调节激光发生器可以获得频率为1KHZ，占空比为2％-8％的激光束，一方面，该激光束具有的能量能够穿透工件，另一方面，由于该激光束的能量相对较低，因此可以使落到工件上的光斑具有较小的尺寸，从而使利用该激光束切割出的通孔比较光滑，避免出现微裂纹，提高了激光打孔的工件的质量。

附图说明

通过结合附图考虑以下对本发明的优选实施例的详细说明，本发明的各种目标、特征和优点将变得更加显而易见。附图仅为本发明的示范性图解，并非一定是按比例绘制。在附图中，同样的附图标记始终表示相同或类似的部件。其中：

图1是根据一示例性实施方式示出的一种金刚石对顶砧的结构图。

图2是根据一示例性实施方式示出的一种打孔光路的光路图。

图3是根据一示例性实施方式示出的一种工件支撑装置的结构图。

图4是频率相同、占空比不同的激光对同一物质打孔的痕迹图。

图5是频率不同、占空比相同的激光对同一物质打孔的痕迹图。

其中，附图标记说明如下：

1、封垫； 2、校准光源；

3、二色镜； 4、照明光源；

5、扩束器； 6、物镜；

7、第一镀银反射镜； 8、工件支撑台；

9、第一二维平移台； 10、旋转装置；

11、升降装置； 12、连接件；

13、第二二维平移台； 14、驱动装置；

15、第二镀银反射镜； 16、摄像头；

17、激光发生器； 18、工件。

具体实施方式

现在将参考附图更全面地描述示例实施方式。然而，示例实施方式能够以多种形式实施，且不应被理解为限于在此阐述的实施方式；相反，提供这些实施方式使得本发明将全面和完整，并将示例实施方式的构思全面地传达给本领域的技术人员。图中相同的附图标记表示相同或类似的结构，因而将省略它们的详细描述。

占空比是指高电平在一个周期之内所占的时间比率。也就是说占空比＝频率×脉冲宽度。当频率不变时，欲想提高占空比，可以提高脉冲宽度。激光打孔实验中发现，当频率固定时，占空比越大，打出的单个孔径越大。为了能够更清楚地说明本发明，现仅选择一组简单的数据以对本发明的激光束的选择过程进行说明。如图4所示，在激光频率固定在10KHz时，占空比从左至右分别为100％、50％、15％、5％、1％。图4中可以显示，占空比为100％和50％的时候，烧蚀的痕迹较占空比为5％和1％的情况严重。

同样为了更好地说明本发明，现仅选择一组简单的数据以对本发明的激光束的选择过程进行说明。我们把占空比暂时固定在3％，调制激光的频率。如图5，从左至右激光频率分别为1Hz、10Hz、100Hz、500Hz、1000Hz和10kHz。从图5中可以看出，孔径的大小随着激光频率的增加而减小。并且在1Hz、10Hz、100Hz时有较严重的烧蚀痕迹。

如此，通过大量的试验数据，得到了占空比为2％-8％，频率为1kHZ的激光束，打孔后的质量较高，且能够减少微裂纹和再铸层，同时又兼顾打孔的速度和深度。

图1是根据一示例性实施方式示出的一种金刚石对顶砧的结构图。

如图1所示，例如但不限于，在高压衍射实验中，通常需要在金属片上打出一个圆孔，这个金属片称作封垫1。可以做封垫1的材料很多，通常实验用到的封垫1有铜，T301钢，铼，非晶等。封垫1在实验中要承受压力导致的形变，因此为了增加其强度，在使用前通常要预压到一定的厚度，然后在预压的凹坑的中心上钻孔，复位后进行使用。加工样品腔的打孔方式包括机械钻孔，激光和电火花打孔。

本发明的一个具体实施方式，激光发生器17打出的激光束的频率可以为1kHZ，激光束的占空比为2％-8％，该激光束具有的能量能够穿透工件18，并且由于该激光束的能量相对较低，因此可以使落到工件18上的光斑具有较小的尺寸，从而使利用该激光束切割出的通孔比较光滑，避免出现微裂纹，提高了激光打孔的工件18的质量。本发明一具体实施方式，激光发生器17的工作方式可以为被动Q-switched，激光发生器17的平均功率可以为大于500mW，激光发生器17的重复频率TTL可以为1-10HZ。本发明的一具体实施方式，激光束的单脉冲能量可以为大于20μJ，激光束的脉宽可以为10ns，激光束的峰值功率可以为大于3KW。本发明的一具体实施方式的激光束的频率为1kHZ，激光束的占空比可以为2％、2.5％、3％、3.5％、4％、4.5％、5％、5.5％、6％、6.5％、7％、7.5％、8％，如此可以实现激光打孔，并且形成的通孔的周围比较光滑，质量较高。本发明的一具体实施方式，激光束的波长可以为1064nm。

继续参照图2，本发明一具体实施方式，激光打孔装置还可以包括聚焦装置，该聚焦装置用于对激光束进行聚焦，以使照射到工件上的激光束的能量更加集中。该聚焦装置可以设置于工件支撑装置1和激光发生器17之间的打孔光路上，激光束可以在经过打孔光路后再照射到工件18上。

继续参照图2，本发明的一具体实施方式，其中聚焦装置可以包括扩束器5和物镜6，扩束器5可以设置于工件支撑装置11和激光发生器17之间，扩束器5可以的扩束倍率可以为2-6倍。物镜6可以设置于扩束器5和工件支撑装置1之间。物镜6的焦距可以为10mm，物镜6的工作距离可以为20mm，由激光发生器17发出的激光束能够依次经过扩束器5和物镜6照射到工件上。本发明的一具体实施方式，物镜6的分辨率可以为0.6μm，焦深可以为±1.4μm，瞳径可以为9mm。

本发明一具体实施方式，进入扩束器5前的激光束的直径可以为2mm，经过扩束器5后的激光束的直径可以为9mm(可以为物镜6聚焦前光斑直径)，经物镜6聚焦后的激光束的直径可以为0.38μm。

在聚焦光路中，激光束的发散角经过物镜6聚焦后改变，其值为：

ω＝λf/πD

λ是入射激光束波长，f是物镜焦距，D为聚焦前光斑直径大小。

从上式可以看出，若想得到小的聚焦光斑，可以采用短焦距的物镜6或者增大激光束在物镜6入口处的光斑直径，即增大激光束聚焦前的激光束直径。我们可以采用扩束器5来使入口处光斑直径增大，例如但不限于可以对激光束扩束，以使激光束光斑恰好充满物镜6口径(D＝9mm)，即聚焦前的激光束直径可以与物镜6直径相同，从而可以避免激光束的能量浪费。本发明一具体实施方式，激光束扩束前的光斑直径为2mm，经扩束后的光斑直径可以为9mm，则扩束的倍数为4.5倍。

经过扩束器5扩束和物镜6聚焦后(物镜焦距为10mm)，激光束光斑直径大小为

ω＝λf/πD＝1064nm×10mm/(3.14×9mm)＝0.38um

本发明一种具体实施方式，工件上形成的通孔的直径可以为30-200μm。

参照图2，本发明的一实施方式，其中激光打孔装置还可以包括校准光路，校准光路包括校准光源2和设置于校准光路上的相互平行的两个二色镜3，以使得由校准光源2发出的校准光束依次经过二色镜3后照射到工件的预切割位置。本发明一实施方式，激光发生器17发出的激光束可以为不可见光，例如但不限于不可见红外光，直接用该激光束对工件进行切割，不容易确定切割位置，容易造成工件损坏，从而造成不必要的浪费。本发明的一具体实施方式，校准光路上可以设置有两个相互平行的二色镜3，二色镜3可以设置为由校准光源2发出的校准光束可以部分透过该二色镜3，另外一部分校准光束可以经该二色镜3反射。本发明一种具体实施方式提供的校准光束可以为可见光束，例如但不限于校准光束的波长可以为512nm。

本发明的一具体实施方式，校准光源2发出的校准光束可以依次经过一个二色镜3、扩束器5、另一个二色镜3、物镜6后照射到工件上，通过调整校准光路上的各个部件以及校准光源2与工件的相对位置，可以使校准光束照射到工件的预定位置上。本发明的一具体实施方式，可以在校准光源2发出的校准光束照射到工件的预定位置后，将校准光源2取下，更换上激光发生器，开启激光发生器的情况下，便可以对工件进行切割。本发明的另一具体实施方式，激光发生器可以不设置在校准光源2的位置上，例如但不限于激光发生器可以设置为由激光发生器发出的激光束经过第一镀银反射镜7反射到校准光路上的二色镜3上，在本实施例中可以调节激光发生器的位置，直至校准光路上的两个二色镜3均出现激光束，则代表激光束可以照射到上述校准光线照射的预定位置上。

继续参照图2，本发明的一实施方式，其中激光打孔装置还包括照明光路，照明光路可以用于提供亮环境，以观察激光打孔或激光校准的过程。该照明光路可以包括照明光源4和设置于照明光路上的相互平行的两个二色镜3，以使得由照明光源4发出的照明光束依次经过二色镜3后照射到工件上。照明光束经过二色镜3反射后可以进入物镜6，经物镜6聚焦后可以打到工件上，例如但不限于该工件可以为封垫。打在工件上的照明光束可以经过物镜6、二色镜3以及第二镀银反射镜15以及物镜6的聚焦后进入摄像头16，例如但不限于CCD摄像头。

参照图3，本发明的一个具体实施方式，提供了一种激光打孔装置，激光打孔装置可以包括工件支撑装置1，工件支撑装置1可以用于支撑待打孔工件，该工件支撑装置1可以设置为能够调节待打孔工件的位置，以使待打孔工件相对激光束移动，以切割出想要的图案，例如但不限于矩形、三角形、六边形等图案，本发明一具体实施方式，在待打孔工件上切割出圆形通孔。

继续参照图3，本发明的一实施方式，其中工件支撑装置可以包括可调节支撑台、旋转装置10以及工件支撑台8。可调节支撑台可以具有第一工作面，旋转装置10可以固定设置于该第一工作面上，可调节支撑台用于调节旋转装置10的位置，以使激光发生器发出的激光束能够照射到工件的预定位置上进行切割，该可调节支撑台可以对工件位置进行初步调整。工件支撑台8可移动地设置于旋转装置10上，以用于调节工件的切割位置。工件可以固定设置于工件支撑台8上，通过工件支撑台8在旋转装置10上的移动，可以带着工件的位置相对激光束的照射位置进行改变，从而可以在工件18上切割出预想的图案，例如但不限于工件上可以切割出圆形。

继续参照图3，本发明的一实施方式，其中激光打孔装置还包括第一导轨，第一导轨可以固定设置于旋转装置10上，工件支撑台8能够沿第一导轨在旋转装置10上移动。通过工件支撑台8在旋转装置10上的移动，可以调整工件的位置相对激光束的照射位置进行改变，从而得到预想的图案，但不以此为限。本发明一种具体实施方式，激光打孔装置还包括第一二维平移台9，第一二维平移台9可以固定连接于旋转装置10和工件支撑台8之间，以使得工件支撑台8能够在旋转装置10上移动。

本发明的一实施方式，其中可调节支撑台可以包括升降装置11和连接件12，升降装置11可以具有第一表面，连接件12可移动地设置于该第一表面上。本发明一种具体实施方式，连接件12可以包括相互成角度的第一工作面和第二工作面，第二工作面可以为滑动地连接于升降装置11的第一表面，第一工作面用于与旋转装置10连接。本发明的一具体实施方式，第一工作面和第二工作面可以设置为相互垂直，但不以此为限，第一工作面和第二工作面之间的角度可以根据实际激光打孔的需要进行选择。该连接件12可以设置为六面体结构或其他结构，为了节约成本，本发明一实施方式，连接件12可以设置为L型结构，第一工作面和第二工作面可以分别设置于该L型结构的相互垂直的两个外侧面上，但不以此为限。

本发明的一实施方式，其中可调节支撑台还可以包括第二导轨，第二导轨可以固定设置于第一表面上，连接件12能够沿第二导轨在升降装置11上移动，以用于带动工件在升降装置11上移动，对工件的位置进行初步调整。继续参照图3，本发明的一实施方式，其中可调节支撑台还包括第二二维平移台13，第二二维平移台13固定设置于第一表面上，连接件12可以固定设置于第二二维平移台13上以随第二二维平移台13在第一表面上移动。

本发明一具体实施方式，激光打孔装置还可以包括驱动装置14，例如但不限于步进电机，该驱动装置14可以驱动旋转装置10转动，以带动工件旋转，从而可以在工件上形成圆形通孔，但不以此为限。

本发明所描述的特征、结构或特性可以以任何合适的方式结合在一个或更多实施方式中。在上面的描述中，提供许多具体细节从而给出对本发明的实施方式的充分理解。然而，本领域技术人员将意识到，可以实践本发明的技术方案而没有所述特定细节中的一个或更多，或者可以采用其它的方法、组件、材料等。在其它情况下，不详细示出或描述公知结构、材料或者操作以避免模糊本发明的各方面。

Claims (10)

1.一种激光打孔装置，其特征在于，所述激光打孔装置包括：

工件支撑装置，用于支撑待打孔工件；

激光发生器，用于产生激光束，所述激光束的频率为1kHZ，所述激光束的占空比为2％-8％；

聚焦装置，所述聚焦装置设置于所述工件支撑装置和所述激光发生器之间的打孔光路上，用于对所述激光束进行聚焦，所述激光束经过所述打孔光路后照射到所述工件上。

2.如权利要求1所述的激光打孔装置，其特征在于，所述聚焦装置包括：

扩束器，所述扩束器设置于所述工件支撑装置和所述激光发生器之间；

物镜，所述物镜设置于所述扩束器和所述工件支撑装置之间，所述物镜的焦距为10mm，所述物镜的工作距离为20mm；

由所述激光发生器发出的所述激光束能够依次经过所述扩束器和所述物镜照射到所述工件上。

3.如权利要求2所述的激光打孔装置，其特征在于，所述激光打孔装置还包括校准光路，所述校准光路包括校准光源和设置于所述校准光路上的相互平行的两个二色镜，以使得由所述校准光源发出的校准光束依次经过所述二色镜后照射到所述工件的预切割位置。

4.如权利要求2所述的激光打孔支撑装置，其特征在于，所述激光打孔装置还包括照明光路，所述照明光路包括照明光源和设置于所述照明光路上的相互平行的两个二色镜，以使得由所述照明光源发出的照明光束依次经过所述二色镜后照射到所述工件上。

5.如权利要求1所述的激光打孔装置，其特征在于，所述工件支撑装置包括：

可调节支撑台，所述可调节支撑台具有第一工作面；

旋转装置，所述旋转装置固定设置于所述第一工作面上，所述可调节支撑台用于调节所述旋转装置的位置；

工件支撑台，所述工件支撑台可移动地设置于所述旋转装置上，以用于调节所述工件的切割位置。

6.如权利要求5所述的激光打孔装置，其特征在于，所述激光打孔装置还包括第一导轨，所述第一导轨固定设置于所述旋转装置上，所述工件支撑台能够沿所述第一导轨在所述旋转装置上移动；或者所述激光打孔装置还包括第一二维平移台，所述第一二维平移台固定连接于所述旋转装置和所述工件支撑台之间，以使得所述工件支撑台能够在所述旋转装置上移动。

7.如权利要求5所述的激光打孔装置，其特征在于，所述可调节支撑台包括：

升降装置，所述升降装置具有第一表面；

连接件，所述连接件可移动地设置于所述第一表面上，所述连接件包括相互成角度的所述第一工作面和第二工作面，所述第二工作面可滑动地设置于所述第一表面，所述第一工作面用于与所述旋转装置连接。

8.如权利要求7所述的激光打孔装置，其特征在于，所述可调节支撑台还包括第二导轨，所述第二导轨固定设置于所述第一表面上，所述连接件能够沿所述第二导轨在所述升降装置上移动。

9.如权利要求7所述的激光打孔装置，其特征在于，所述可调节支撑台还包括第二二维平移台，所述第二二维平移台固定设置于所述第一表面上，所述连接件固定设置于所述第二二维平移台上以随所述第二二维平移台在所述第一表面上移动。

10.如权利要求7所述的激光打孔装置，其特征在于，所述第一工作面和所述第二工作面相互垂直。